STEM課程的內涵與案例設計

何仕陽

【摘 要】STEM教育的興起和“眾創空間”的建設，著力于培養學生具有較強的信息意識與創新意識，養成數字化學習習慣。作為一名未來的教育工作者，應主動認知STEM教育的內涵，提高開展STEM課程教育的能力。本文重點從全面認識STEM教育的內涵、有效開展STEM課程教學、嘗試設計STEM課程的案例三個方面來淺談自己學習和實踐的觀點。

【關鍵詞】STEM;教育;技能;素養

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2021）02、03-126-03

從課程角度講，我們的知識是綜合的，培養的能力是開放的。2016年教育部出臺的《教育信息化“十三五”規劃》中明確指出有效利用信息技術推進“眾創空間”建設，探索STEM教育、創客教育等新教育模式，使學生具有較強的信息意識與創新意識，養成數字化學習習慣，具備重視信息安全、遵守信息社會倫理道德與法律法規的素養。對于一個未來教育工作者來說，理解、學習STEM，培養STEM教育素養是一門必修課。

全面認知STEM教育的內涵

對于教育工作者來說，開展STEM教育很難，它涵蓋的學科都有各自的空間，現從四個方面來談STEM教育內涵。

S（Science）是科學，解釋存在、物體、事件，以及物體和事件的原理和原則，解釋它們之間的關系，解釋自然界（物理、化學、生物）、地球及空間科學，需要尋找實證性數據去證明和推出論點。

T（Technology）是技術，對工具、機器、技術、手工、組織體系和方法的制作、使用和了解掌握，其目的是解決問題或者執行具體的功能。技術包涵農業技術、工業技術、信息技術、交通技術等，使用恰當的技術不僅能夠溝通、解決問題，還能獲取、管理、整合、評估、設計和創造信息，從而助力其他學科領域的學習。

E（Engineering）是工程，基于應用數學、科學和技術領域的概念進行科學項目的研究和發展，目的是生產出特定的產品以解決問題。如小到電動牙刷的設計制造，大到高鐵、大飛機，都是針對創新活動所開展的工程。

M（Mathematics）是數學，研究數學、形狀、結構、變化這些概念之間關系的一種抽象性代表體系。基于算術、代數、函數、幾何、統計、概率等，通過假設的邏輯論證證明論點。

STEM教育融合了手工、3D打印、機器人、編程、單片機、AI 、VR、科學教育、科學實驗、科普等學習活動;旨在打破學科領域的界限，整合課程，倡導基于項目的學習方式，強調體驗性和實踐性，是一種新的教育理念和學習方法。

有效開展STEM課程教學

1.制定分解課程目標

如果要了解STEM課程，尤其是了解它們之間的關系，就不能孤立其中任何一個部分，只有在交互中，在相互的碰撞中，才能實現理解性的學習，深層次的學習。針對某一內容的STEM教學應在課程的綜合聯系中制定教學總目標，分解各內容階段性具體目標。

下面以初中科學“物體熱傳導的綜合性探究”為例來談談如何制定并分解課程目標。“現有100℃的水200g，20℃的鋁200g，水的比熱是鋁的五倍，問：能否得到90℃的鋁塊（鋁塊不能分割并要整體受熱）？”針對這一問題，科學知識是比熱、熱能，技術層面是實驗過程保持物體初態溫度的恒溫，工程層面是用一定的方法實現熱傳導，數學層面是計算具體的操作量。為此，制定的教學總目標為：能運用比熱、熱能及物體間熱能傳遞的知識，通過精確計算，巧妙實施，掌握物體間熱能充分交換的科學方法。階段性目標是：掌握比熱和熱能的知識;了解物體熱能交換的方法;開展物體熱傳導的實驗;能夠利用物理公式和數學計算進行總結論證。

可見，當教師在考慮如何將STEM教育引入中小學課堂時，可按照“分解—整合—再整合”的方法去制定課程教學目標。

2.選擇教學內容

首先，內容選擇上要有“拓展點”。STEM課程應以培養學生核心科學素養為導向，尊重差異，為不同層次的學生提供合適的基礎內容。在開展課堂活動時，積極引導和鼓勵學生在已知的基礎上作“未知領域”的延伸與拓展，讓學生學有所寬;若教學內容是基于創新與挑戰的，就要聯系教學總目標篩選與提煉，將教學內容分層，讓學生學者有所獲，能者有所長，體現STEM課程主動學習、因材施教的“立意”。

其次，課堂模型構建要有“生長點”。圍繞教學總目標進行課堂模型設計，從另一個角度講就是STEM課堂的各個環節設計。以提出問題環節來說，針對教學內容預設一個學習問題，就學習問題進行建模，可以將問題作為學生學習的種子，學生的認知作為枝葉，讓學生的知識有個“生長點”。課堂模型體現結構的邏輯性、認知的規律性、內容的整合性。STEM課程的四方面內容是并列關系的，把握“梯度”進行層級排列，不能前后顛倒。

3.注重學習方法

STEM教育并不是固定的某一門學科或者某一類課程，它的核心是一種理念，即“探索式學習”。它融入到中小學教育中的體現就是：學科老師不再進行單方面的知識輸出，簡單地告訴學生們理論知識，而是帶領學生結合科學、技術、工程、數學知識，進行自我探索，提出疑惑、探尋結論。在STEM教育開展前，引用LU-HSSSE高中學生投入度調查數據：每三個學生中有兩個感到課程很無聊;85%的學生不得不學，15%的學生擁有內在動力。在STEM教育開展后，美國2011年NAEP項目報告顯示，在課堂上動手做項目的學生分數更高，在科學項目上有合作的學生成績更高。清華附中每天泡在實驗室里的STEM迷高考平均分數為685.37分。從眾多的例子中說明，開展STEM教育的學生通過真實性的科學探究，更能理解科學概念和原理，掌握科學研究方法，鍛煉科學思維，發展科學精神，從而全面提升科學素養。

STEM課程案例設計

1.挖掘STEM課程案例設計的內容

STEM課程強調以學生為中心，強調學習經歷和結果的開放性，強調對學生設計能力和解決問題能力的培養。由于實際問題具有復雜性，并不是用單一學科的知識就可以解決的，這就需要我們用STEM課程去解決。在中小學教材中有許多內容適合設計STEM課程，值得我們去挖掘。如人教版小學科學五（上）“光是怎樣傳播的”一課，就適合開展STEM教育。該課的問題引入點是“設想光的傳播可能”，讓學生就光的傳播展開豐富的想像，在學習前設想諸多的可能性，提出諸如“光是發散傳播的，理由是我們看到教室的燈一開，整間教室都亮了”“光是一團，還是一條線”等問題。為驗證“光是沿直線傳播的”這一觀點，可以建構涉及光源、材料、視覺感知等的知識，設計并完成諸如“如何將光源發出的光聚集成一條光線”“設想證明光線直線傳播的實驗”“制作一個光傳播路徑演示器”等探究活動項目。在課堂上，學生用激光筆照射有著大小、位置相同的小孔的四張卡紙。第一次照射時，讓四張卡紙排成一條直線;第二次照射時，讓四張卡紙的排列不成一條直線。結果會發現，第一次實驗中激光筆的光線能通過，第二次實驗中激光筆的光線不能通過，從而驗證光是沿直線傳播的這一觀點。像“光是沿直線傳播的”這樣的教學內容，就可以利用STEM課程實踐操作式的問題解決方法，通過完成項目，讓學生了解到與之相關聯的科學、技術和數學等領域的各類知識，并思考如何將這些知識連接起來。

2.構建項目鏈設計STEM課程案例

STEM教育打破了“坐著不動的課堂”，鼓勵學生做中學、玩中學，形成以主動、探索、體驗、創作為特征的新型學習方式，基于問題或項目的教學設計模式逐漸健全。在選擇合適的案例內容后，先制定教學目標，然后將教學目標分解為項目模塊，再將模塊組合成鏈，形成教學模型。其基本形式可歸納為：問題提出—知識構建—項目設計—問題解決。其中，項目設計為主線，要能讓學生在學習過程中完成一個或幾個項目，將工程和技術的原理、方法融入完成項目的整個過程中。例如，設計“挑戰一張A4紙的極限載重”案例鏈式模型如圖1所示。

3.預設多樣的學習方式提高STEM課程的活性

開展STEM課程教學時，應重視教學活動的組織形式，活躍課堂氣氛。在STEM課程案例設計時預設多樣的學習方式可為課程的教學做好鋪墊。模擬實驗、項目式學習、動手制作、小組協同等視為STEM課程學習方式的常見形式，學生在這些學習方式的助力下挖掘和利用資料進行問題探討和專題研究，不僅活躍了課堂氣氛，更能使學生在實踐探索中掌握科學知識和科學方法，形成科學精神。

總之，作為一名未來的教育工作者，應積極培養和提高自身進行STEM課程教學和設計的能力，提煉科學、技術、工程、數學之間存在的相互支撐、相互補充、共同發展的關系，致力于培養能夠面向世界、面向未來的新一代。

作者單位：浙江杭州師范大學理學院